Прочность материалов

Прочность - это способность материалов сопро­тивляться внутренним напряжениям, возникающим под действием внешних нагрузок.

В конструкциях строительные материалы в зависимости от характера нагрузки могут испытывать различные напряжения: сжатие, растяжение, изгиб и др.

Это свойство строительных материалов характеризуется пределом прочности, т. е. напряжением в материале, со­ответствующем нагрузке, при которой происходит разрушение образца. Предел прочности при сжатии или растяжении (R) ра­вен отношению разрушающей силы (Rразр) к первоначальной площади образца (F):

Разрушающую, т. е. максимальную, нагрузку определяют на гидравлических прессах или разрывных машинах различной мощ­ности. Результаты этих испытаний зависят от прочности веще­ства, из которого состоит материал, его формы, размеров, ско­рости нарастания нагрузки и пр. Для испытания на растяжение применяют обычно образцы в виде восьмерок, а на сжатие - кубики различных размеров (с длиной ребра от 3 до 30 см) или цилиндры. При испытании цилиндров показатели предела проч­ности при сжатии бывают примерно на 25% меньше, чем куби­ков. Небольшие образцы имеют более высокий предел  прочности при сжатии, чем крупные. Это объясняется тем, что сжа­тие сопровождается поперечным расширением. Две плоскости испытуемого образца прижимаются к плитам пресса, и возникающие при этом силы трения удерживают прилегающие части от поперечного расширения и, следова­тельно, от разрушения. Чем больше относительная высота образца, тем меньше влияние опор прессовых плит на его прочность. По этой причине большин­ство каменных материалов при сжатии разрушается так, как это показано на рисунке 2.

Изменения предела прочности при сжатии для каменных материалов в за­висимости от размеров образца приве­дены в таблице 1.

Рис. 2. Характер разру­шения кубика из камен­ных материалов при ис­пытании их на сжатие.


Таблица 1 Переходные коэффициенты для определения пределов прочности при сжатии каменных материалов

Каменные материалы (горные породы, бетоны, кирпич) при растяжении выдерживают нагрузку, в 10-20 раз меньшую, чем при сжатии. Другие строительные материалы, например сталь, древесина, пластмассы, одинаково хорошо сопротивляются как сжатию, так и растяжению.

Предел прочности при изгибе определяют испытанием не­больших балочек, изготовленных из проверяемого материала. Разрушают эти балочки одним или двумя сосредоточенными грузами (рис. 3).


Рис. 3. Схемы испытания строительных материалов на изгиб сосредоточенными грузами: а - одним;   б - двумя.

Предел прочности при изгибе равен: при одном грузе

при двух грузах

где Рразр - разрушающая нагрузка, кг;
l - расстояние между опорами, см;
а - расстояние между грузами, см;
b и h - соответственно ширина и высота  балочки, см.

Условия проведения этих испытаний приведены в стандар­тах (ГОСТ) на соответствующие материалы.

Однако необходимо иметь в виду, что различные конструк­ции и сооружения рассчитывают не по пределу прочности, а по допускаемому напряжению:

где z - коэффициент запаса прочности, величина которого более единицы. Это требование к величине допускаемого напряжения обусловливается следующими причинами.

1.  Полученные при испытаниях показатели дают представ­ление только о среднем значении прочности материалов. Вслед­ствие своей неоднородности материалы в наиболее слабых местах разрушаются раньше, чем напряжение достигнет этой средней величины. Поэтому запас прочности принимают тем большим, чем выше, неоднородность материала.

2.  Многие материалы, нагруженные до появления напряже­ния, составляющего 50-70% предела прочности, сильно дефор­мируются.

3.  При многократной переменной нагрузке наступает так называемая усталость материалов, и они могут разрушаться при напряжении, равном половине предела прочности.

4.  Действие различных атмосферных факторов вызывает из­менение первоначальных свойств материалов, и они стареют, что, естественно, сопровождается понижением их прочности.

Для обеспечения достаточной прочности сооружений при дей­ствии перечисленных факторов, а также нагрузок, не учтенных в расчетах или учтенных недостаточно точно вследствие несовер­шенства методов испытаний, в нормах на строительное проек­тирование установлены определенные запасы прочности для раз­ных материалов и конструкций (z = 2-3 и более).

Два важных свойства строительных материалов - объем­ный вес и прочность - требуют введения еще одного коэффициента - конструктивного качества (К. К. К.). Он характери­зуется отношением прочности материала к его объемному весу:

Наилучшим в конструктивном отношении материалом будет тот, который имеет наивысший коэффициент конструктивного качества. Такие материалы позволяют создавать прочные и в то же время легкие сооружения. К. К. К. основных строительных материалов имеет следующие величины:

Последнее обновление 01.11.13 16:52